Wenn Glas kein Feststoff oder keine Flüssigkeit ist, was ist es dann? Foto von Flickr-User -Kenzie-
Ein Glas Merlot mag die Welt rosig aussehen lassen, aber es kann auch eine Quelle der Frustration für einen Physiker sein. Der Wein gießt, spritzt und wirbelt, das Glas bleibt jedoch steif wie ein festes Gefäß. Wenn Sie den Merlot vergrößern, sehen Sie Moleküle, die nahe beieinander liegen, sich aber ohne feste Position bewegen. Wenn Sie in das Weinglas hineinzoomen, sehen Sie auch diese ungeordnete Anordnung, aber keine Bewegung.
Auf atomarer Ebene sehen die beiden Formen der Materie gleich aus. Obwohl ein Glas fest gefroren ist, fehlt ihm die starre Kristallstruktur, die beispielsweise in Eiswürfeln zu finden ist.
Wissenschaftler, die Glas studierten, beobachteten verzerrte Versionen von Ikosaedern (Ikosaeder links, verzerrte Version rechts). Bild über Science / Chen und Kotani
Obwohl Kunsthandwerker seit Jahrtausenden Glas herstellen und Wissenschaftler seine Struktur seit Jahrzehnten untersuchen, gibt es bisher keine eindeutigen experimentellen Beweise dafür, wie Flüssigkeiten, die Gläser bilden, am Kristallisieren gehindert werden. In einem neuen Artikel, der online in Science veröffentlicht wurde, verwendete ein Team japanischer Forscher ein hochleistungsfähiges Elektronenbeugungsmikroskop Glas in den kleinsten Maßstäben noch zu sehen. Bei dieser hohen Auflösung sahen sie, wie es aussieht, eine Grundeinheit einiger Gläser - Atome, die in einer verzerrten Version eines Ikosaeders verpackt waren, einer dreidimensionalen Form mit 20 Flächen.
Mit ausgeklügelten geometrischen Werkzeugen charakterisierte das Team diese Verzerrungen und berichtete in der Veröffentlichung, dass das System "dichte atomare Packungen und einen niedrigen Energiezustand beibehält". Bestimmte Anordnungen von Atomen sind, so die Forscher, das Wesen der Glasigkeit, weil sie stören die Entwicklung von ein gut organisierter Kristall.
Mehrere Ansichten mikroskopischer Bilder von Atomen in Glas (rechts) ermöglichten es den Forschern, den Grad der Verzerrung der spezifischen Ikosaeder, die die Atome organisierten, darzustellen (links). Bild über Science / Chen und Kotani
Obwohl die Forscher ein Glas aus Zirkonium und Platin untersuchten, das nicht Ihre durchschnittliche Fensterscheibe ist, könnten die Ergebnisse für Gläser allgemeiner gelten. Durch das Verständnis der Art und Weise, wie Atome sich organisieren, können Materialwissenschaftler Wege finden, neue Gläser herzustellen und die Gläser zu manipulieren, die sie haben.
Aber Glas ist noch lange nicht herausgefunden. Während die Studie erklärt, warum manche Flüssigkeiten Gläser bilden Anstatt zu kristallisieren, erklärt dies nicht, warum diese Flüssigkeiten träge genug werden können, um fest zu sein, sagt der Chemiker Patrick Charbonneau von der Duke University. Eine große Gemeinschaft von Wissenschaftlern hat seit den 1980er Jahren versucht, die Trägheit zu beheben , aber sie können sich nicht auf die Lösung einigen und streiten sich sogar über den besten Ansatz.
Eine beliebte Strategie macht einen Schritt zurück, um zu verstehen, wie Atome einen bestimmten Raum füllen. Es behandelt die Atome in Glas als harte, zusammengepackte Kugeln. Einfach, richtig? "Es gibt keine Quantenmechanik, es gibt keine Stringtheorie, man muss sich nicht auf den Weltraum berufen", sagt Charbonneau. Und doch hat es sich als unglaublich schwierig erwiesen, Glas auf diese Weise zu untersuchen, da es schwierig ist, herauszufinden, welche Positionen so viele Partikel einnehmen könnten. Abgesehen von der inhärenten Herausforderung, die Anordnung der Kugeln zu beschreiben, ist der Ansatz eine Vereinfachung, und es ist nicht klar, wie relevant er für echte Brillen wäre.
Dennoch scheint Charbonneau erregt zu sein, wenn er über solche Forschungsprobleme spricht. Sein Glas Merlot ist halb voll, weil er glaubt, dass die letzten Jahre enorme Fortschritte gebracht haben. Wissenschaftler, sagt er, seien kreativer geworden, wenn es darum ging, Fragen zu Glas zu stellen. Charbonneaus eigene Forschung simuliert Glas in höheren Dimensionen, Befunde, die wichtige Auswirkungen auf den Grad der Störung in dreidimensionalem Glas haben könnten. Andere Forscher denken darüber nach, was passieren würde, wenn Sie einige Partikel in einer unterkühlten Flüssigkeit immobilisieren würden, in der Hoffnung zu beleuchten, wie solche Flüssigkeiten einen glasigen Zustand erreichen. Noch mehr betrachten Atome in Glas als Entitäten, die sich wie biologische Zellen von selbst bewegen können. All diese Bemühungen versuchen, die Arten von Wechselwirkungen zu bestimmen, die zur Bildung von Glas beitragen, damit die Wissenschaftler eine wirklich gute Trägheitstheorie erkennen, wenn sie sie sehen.
Erwarten Sie trotz all dieser Bewegung nicht, dass Ihr Weinglas in absehbarer Zeit in irgendeiner Weise fließt. Dieses Glas "hält länger als die Zeitskala des Universums", sagt Charbonneau. Behauptet, dass die Glasmalerei in mittelalterlichen Kathedralen am Boden dicker ist, weil die Glasströme aufgeschüttet sind. Aber genau, warum es nicht fließt, bleibt ein Rätsel.
